복수기 배출수 여열을 이용한 해양 발전 모듈{Marine Electricity Generation Module Using Waste Heat In Cooling Water Of Condenser}
본 발명은 복수기 배출수 여열을 이용한 해양 발전 모듈에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 해양 발전 플랜트 내 다른 발전 모듈의 복수기에서 배출되는 배출수를 열원으로 활용하여 발전하는 해양 발전 모듈에 관한 것이다.
발전 설비는 연료를 연소시킬 때 발생하는 연소열로 증기를 발생시켜 이를 이용해 발전한다. 발전 설비의 증기 사이클에서 발전기 구동 후 배출된 증기를 복수시키는 것은 증기 사이클 효율과 관련된 중요한 과정이다. 에너지 활용 측면에서 보면 화력 발전기의 경우 투입 연료의 40% 정도만 전기로 변환되고, 13% 정도는 연소과정과 발전기에서 손실되고, 47% 정도는 냉각수에 의해 손실되고 있다. 또한 증기의 복수 과정에서 사용된 냉각수는 온도가 상승된 상태로 배출되면 환경에 중대한 영향을 끼친다. 도 1은 통상적인 발전 설비 시스템을 도시한 도면으로, 발전소의 운전을 도 1을 참조하여 개략적으로 설명하면 다음과 같다. 보일러 드럼(12)에 전달된 급수는 튜브를 통해 보일러 내부로 공급되고, 연료의 연소열에 의해 증기로 변환되며, 다시 과열기(14)에서 상당한 고온으로 과열되어 고온 고압의 과열 증기로 된다. 과열된 증기는 고압 터빈(16)으로 공급되어 고압 터빈(16)을 회전시킨 후 재열기(18)로 보내진다. 재열기(18)에서는 고압 터빈(16)을 거친 저온 재열 증기를 과열도가 높은 고온의 재열 증기로 변환한다. 형성된 재열 증기는 중압 터빈(20)으로 유입된다. 중압 터빈(20)을 회전시키고 배출되는 증기는 최종적으로 저압 터빈(22)을 회전시킨 후에 복수기(2)로 전달된다. 복수기(2)에서 냉각수에 의해 응축된 물(복수)은 복수 펌프(Condensate Extraction Pump, CEP: 4)에 의해 저압 급수 가열기(6)로 전달된다. 저압 급수 가열기(6)에서는 저압 터빈(22)에서 공급된 추기(Extraction Steam)를 이용하여 급수가 가열된다. 저압 급수 가열기(6)에서 가열된 급수는 탈기기(Deaerator: 미도시)를 거치면서 용존 가스가 제거된다. 탈기기를 거친 급수는 급수 펌프(Boiler Feedwater Pump, BFP: 8)에 의해 고압 급수 가열기(11)로 공급된다. 급수 펌프(8)에 의해 고압 급수 가열기(11)로 공급된 급수는 고압 또는 중압 터빈(20)에서 공급된 고온의 추기에 의해 가열된 후 보일러 드럼(12: 순환형 보일러에 해당)으로 공급되어 순환 사이클을 이루게 된다. 이와 같은 종래의 발전 시스템은 증기의 복수 과정에서 사용된 냉각수가 온도가 상승된 상태로 배출됨으로써 생태계에 중대한 영향을 끼칠 수 있으며, 냉각수에 열교환으로 전달된 상당한 열에너지를 활용하지 못하고 배출해버리는 문제점이 있다. 특히, 이러한 발전 시스템이 플랜트나 선박 등의 해상 설비에 구비되는 경우, 고온의 냉각수 배출에 의한 해양 생태 환경의 영향도 더욱 클 수밖에 없었다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 해양 발전 플랜트 내 다른 발전 모듈의 복수기에서 배출되는 배출수를 열원으로 활용하는 발전 모듈을 해양 발전 플랜트에 추가함으로써, 고온 냉각수의 배출로 인한 해양 환경에 대한 영향을 줄이고, 냉각수에 열교환으로 전달된 열을 활용하여 발전 플랜트의 효율을 높이고자 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 해양 발전 플랜트에 구비되는 발전 모듈에 있어서, 해양 발전 플랜트 내 다른 발전 모듈의 복수기에서 배출되는 온수와 열교환으로 냉매를 기화시키는 증발기; 상기 증발기에서 기화된 상기 냉매를 공급받아 전력을 생산하는 터빈 발전기; 및 상기 터빈 발전기를 통과한 상기 냉매를 해수와 열교환으로 액화시키는 응축기를 포함하는 복수기 배출수 여열을 이용한 해양 발전 모듈이 제공된다. 복수기 배출수 여열을 이용한 해양 발전 모듈은, 냉매가 순환되는 냉매 순환관과, 응축기에서 액화된 상기 냉매를 펌핑하여 상기 증발기로 도입시킴으로써 상기 냉매를 상기 냉매 순환관 내에 순환시키는 냉매 순환 펌프와, 상기 응축기에서 상기 냉매를 액화시키는데 사용되어 온도가 상승된 상기 해수의 온도를 감지하는 온도 센서를 더 포함할 수 있다. 상기 응축기에서 상기 냉매와 열교환하여 온도가 상승된 상기 해수의 적어도 일부가 상기 증발기에 상기 온수로 도입될 수 있다. 상기 해양 발전 플랜트는 원자력 발전 모듈을 포함하는 복수의 플랜트 모듈이 구비된 GBS 해양 발전 플랜트일 수 있다. 상기 GBS 해양 발전 플랜트는 내부에 복수의 플랜트 모듈이 이격 배치된 GBS 선체 유닛을 포함할 수 있다. 상기 해양 발전 플랜트는 선체의 저장탱크로부터 공급되는 LNG를 기화시켜 연료로 발전하는 발전 모듈을 포함하는 FSPP일 수 있다. 상기 해양 발전 플랜트는 화력 또는 복합화력 발전 모듈을 포함하는 BMPP일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 선박을 포함한 해상 설비에서 복수기 배출수를 활용하는 발전 방법에 있어서, 1) 해상 설비 내의 발전 모듈에서 배출되는 복수기 배출 해수를 공급받아 냉매를 기화시키는 단계; 2) 기화된 상기 냉매를 터빈발전기에 공급하여 전력을 생산하는 단계; 및 3) 전력을 생산한 후 배출된 상기 냉매를 해수와 열교환으로 응축시켜 상기 단계 1)로 순환시키는 단계를 포함하는 복수기 배출수 여열을 이용한 해양 발전 방법이 제공된다. 상기 해상 설비는 GBS 해양 원자력 발전 플랜트, FSPP, BMPP를 포함하는 군에서 선택될 수 있다.
해양 발전 플랜트 내 다른 발전 모듈의 복수기에서 배출되는 배출수를 열원으로 활용하는 발전 모듈을 해양 발전 플랜트에 추가함으로써, 고온 냉각수의 배출로 인한 해양 환경에 대한 영향을 줄이고, 냉각수에 열교환으로 전달된 열을 활용하여 발전 플랜트의 열효율과 발전율을 높일 수 있다.
도 1은 통상적인 발전 설비 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 복수기 배출수 여열을 이용한 해양 발전 모듈을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 복수기 배출수 여열을 이용한 해양 발전 모듈과 원자력 발전 모듈을 포함하는 복수의 플랜트 모듈이 구비된 GBS(Gravity Based Structure) 해양 발전 플랜트의 실시예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 복수기 배출수 여열을 이용한 해양 발전 모듈과 선체의 저장탱크로부터 공급되는 LNG를 기화시켜 연료로 발전하는 발전 모듈을 포함하는 FSPP의 실시예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 복수기 배출수 여열을 이용한 해양 발전 모듈과 화력 또는 복합화력 발전 모듈을 포함하는 BMPP의 실시예를 개략적으로 도시한 도면이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 복수기 배출수 여열을 이용한 해양 발전 모듈(GM)을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 2에 도시된 바와 같이 본 실시예에 따른 복수기 배출수 여열을 이용한 해양 발전 모듈(GM)은, 해양 발전 플랜트에 구비되는 발전 모듈에 있어서, 해양 발전 플랜트 내 다른 발전 모듈(OGM)의 복수기(10)에서 배출되는 온수와 열교환으로 냉매를 기화시키는 증발기(100)와, 증발기(100)에서 기화된 냉매를 공급받아 전력을 생산하는 터빈 발전기(110)와, 터빈 발전기(110)를 통과한 냉매를 해수와 열교환으로 액화시키는 응축기(120)를 포함한다. 복수기 배출수 여열을 이용한 해양 발전 모듈(GM)은, 냉매가 순환되는 냉매 순환관(130)과, 응축기(120)에서 액화된 냉매를 펌핑하여 증발기(100)로 도입시킴으로써 냉매를 냉매 순환관(130) 내에 순환시키는 냉매 순환 펌프(140)와, 응축기(120)에서 냉매를 액화시키는데 사용되어 온도가 상승된 해수의 온도를 감지하는 온도 센서(150)를 더 포함할 수 있다. 응축기(120)에서 냉매와 열교환하여 온도가 상승된 해수의 적어도 일부가 증발기(100)에 온수로 도입될 수 있다. 즉, 해양 발전 플랜트에 구비된 기존 화력, 원자력 등의 다른 발전 모듈(OGM)에서 가온되어 배출되는 복수기(10) 냉각수에 포함되어 버려지는 폐열을 효과적으로 활용하기 위한 시스템으로서, 기 설치된 발전시스템에 추가적으로 본 실시예의 발전 모듈을 설치하게 된다. 기 설치된 발전 시스템의 발전 모듈에서 발생하는 복수기 냉각수가 충분하지 않은 경우에는, 본 실시예의 발전 모듈에서 발생하는 응축기(120) 냉각 해수를 이용하여 가동할 수도 있다. 발전 모듈의 복수기 또는 응축기(120)에서 사용된 냉각수는, 증기에 포함된 열의 47% 정도를 흡수하므로 온도가 상승한다. 따라서 이를 열원으로 증발기(100)에 도입시킬 수도 있으며, 이러한 경우 복수과정에서 냉각용 해수에 흡수되어 버려지던 폐열을 이용할 수 있게 된다. 복수기 배출수 여열을 이용한 해양 발전 모듈(GM)에서 냉매로는 암모니아, 프로판, 부탄, 프론 등의 끓는점이 낮은 물질을 선택할 수 있다. 끓는점이 낮은 냉매는 복수기 냉각수의 폐열에 의해 증발기(100)에서 기화된 후, 냉매 순환관(130)을 흘러 터빈에 도입되어 터빈 발전기(110)를 구동시켜 전력을 생산하게 된다. 터빈에서 배출된 냉매는 다시 냉매 순환관(130)을 통해 응축기(120)로 도입되어 액체로 상 변화한 후, 냉매 순환 펌프(140)에 의해 다시 증발기(100)로 도입된다. 본 실시예는 이러한 복수기 여열을 이용한 발전 사이클을 모듈(module)화하였다. 해상에 대형 플랜트를 설치하는 것이 기술적으로나 경제적으로 한계가 있기 때문이다. 따라서 이러한 어려움을 해결하기 위해 각각의 발전 사이클을 발전 모듈로 제작하여 이동시킨 후 해양에서 이를 조립, 설치하는 방식을 제안한다. 본 실시예는 복수기 여열을 이용한 해양 발전 모듈을 제작한 후 해양 발전 플랜트 내 다른 발전 모듈(OGM)의 복수기(10) 배출수를 공급받을 수 있도록, 다른 발전 모듈(OGM) 주위에 설치할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 복수기 배출수 여열을 이용한 해양 발전 모듈(GM)이 구비되는 해양 발전 플랜트는, 원자력 발전 모듈을 포함하는 복수의 플랜트 모듈(210)이 구비된 GBS(Gravity Based Structure) 해양 발전 플랜트(200)일 수 있다. GBS 해양 발전 플랜트(200)란 플랜트 모듈(210)이 구비된 플랜트 구조물을 중력에 의해 해저에 가라앉혀 해저에 설치한 발전 플랜트를 말한다. GBS 해양 발전 플랜트(200)는 내부에 복수의 플랜트 모듈(210)이 이격 배치된 GBS 선체 유닛(220)을 포함할 수 있다. 이러한 실시예를 도 3에 개략적으로 도시하였다. 도 3에 도시된 바와 같이 본 실시예에서는, 발전시설을 포함한 시설물이 탑재된 복수의 플랜트 모듈(210)이 인터페이스(interface, 미도시)로 상호 연통되어, GBS 선체(221)에 착지된다. GBS 선체 유닛(220)은 복수의 GBS 선체(221)를 포함하는데, 이들은 해상에서 상호 결합된다. 복수기 배출수 여열을 이용한 해양 발전 모듈(GM)은 복수의 플랜트 모듈(210) 중의 하나가 될 수 있으며, 원자로 건물(211)이 포함된 원자력 발전 모듈(210)의 복수기 냉각수 배관(미도시)이 인터페이스로 되어 상호 연결될 수 있다. 플랜트 모듈(210)은 부유(floating) 타입 또는 GBS 타입으로 마련될 수 있는데, 부유 타입인 경우는 플랜트 모듈(210) 내부에 발라스트 구조를 마련하여 해상에서 부유시킬 수 있고, 모듈 외벽은 강철 등의 금속으로 제작될 수 있다. GBS 타입인 경우는 콘크리트 재질로 제작할 수 있다. 이러한 복수의 플랜트 모듈(210)을, GBS 선체(221) 내부로 이동시키고, GBS 선체(221)들을 상호 결합시킨다. GBS 선체 유닛(220) 내부에는 구조물을 바다에 가라앉히는 과정에서 유입된 해수가 차 있으므로, 해수를 외부로 펌핑하기 위한 배수용 펌프(미도시)가 GBS 선체 유닛(220)에 마련된다. 배수용 펌프로 GBS 선체 유닛(220)의 해수를 외부로 배출시키고, 내부에 이동시켰던 복수의 플랜트 모듈(210)들의 인터페이스를 상호 연결하는 작업을 한다.
본 발명의 다른 실시예에서 복수기 배출수 여열을 이용한 해양 발전 모듈(GM)이 구비되는 해양 발전 플랜트는, 선체의 저장탱크(320)로부터 공급되는 LNG를 기화시켜 연료로 발전하는 발전모듈(OGM)을 포함하는 FSPP(Floating and Storage Power Plant)일 수 있다. 이러한 실시예를 도 4에 개략적으로 도시하였다. 본 실시예의 FSPP는 해상에 위치하면서 LNG를 저장하고 발전을 수행하는 설비이다. 이러한 FSPP에서 LNG 연료로 발전하는 발전 모듈의 복수기 배출수를 이용하여 해양 발전 모듈을 구동시킬 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 FSPP에서는 LNG 발전 모듈(OGM)을 FSPP 선체(310) 내부와 데크 상부에 걸쳐 설치시킬 수 있다. LNG 발전 모듈(OGM)은 기화부(330), 발전 설비(390), 수처리/쿨링 유닛(380) 등을 포함할 수 있고, FSPP의 LNG 저장 탱크(320)의 LNG를 기화부(330)에서 기화시켜 연료로 사용하여 발전하는 모듈이다. 발전 설비(390)에는 기화부(330)에서 기화된 천연가스를 연료로 작동하는 가스터빈(미도시), 가스터빈에서 발생하는 배기가스 폐열을 이용하는 폐열회수보일러(미도시), 폐열회수보일러에서 발생한 스팀으로 작동하는 스팀 터빈(미도시), 가스터빈과 스팀 터빈의 동력으로 발전하는 발전기(미도시) 등이 포함될 수 있다. 그리고 수처리/쿨링 유닛(380)에는 복수기나 냉각수 공급 장치(미도시)가 포함될 수 있고, 이러한 복수기 또는 냉각수 공급 장치에서 배출되는 온배수를 이용하는 해양 발전 모듈(GM)이 구비되는 것이다. 본 실시예의 FSPP에서 생산되는 전력은 육지의 전력 수요처로 케이블을 통해 공급될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에서 복수기 배출수 여열을 이용한 해양 발전 모듈(GM)이 구비되는 해양 발전 플랜트는, 화력 또는 복합화력 발전 모듈(OGM)을 포함하는 BMPP(Barge mounted Power Plant)일 수 있다. 이러한 실시예를 도 5에 개략적으로 도시하였다. 도 5에 도시된 바와 같이, BMPP는 해상에서 떠다니도록 구성된 바지선 위에, 석탄 등의 연료를 공급받아 발전하는 발전 플랜트 모듈(OGM)이 장착되어 이루어지는 플랜트로써, 이러한 BMPP 플랜트는 중량물 운반선에 올려 예인선으로 예인하여 추후 전기 공급이 필요한 곳이나, 석탄 등의 연료 공급이 용이한 장소 등의 실제 사용 장소인 해안에 설치될 수 있다. BMPP에 석탄 등의 연료를 사용하는 화력 또는 복합화력 발전 모듈(OGM)에서 발생하는 복수기 배출수를 이용하는 해양 발전 모듈(GM)을 추가함으로써 열에너지를 효과적으로 활용하여 발전 효율을 높일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 선박을 포함한 해상 설비에서 복수기 배출수를 활용하는 발전 방법에 있어서, 1) 해상 설비 내의 발전 모듈에서 배출되는 복수기 배출 해수를 공급받아 냉매를 기화시키는 단계; 2) 기화된 냉매를 터빈발전기에 공급하여 전력을 생산하는 단계; 및 3) 전력을 생산한 후 배출된 냉매를 해수와 열교환으로 응축시켜 단계 1)로 순환시키는 단계를 포함하는 복수기 배출수 여열을 이용한 해양 발전 방법이 제공된다. 해상 설비 내의 발전 모듈은 화력, 원자력 등의 발전 모듈일 수 있다. 복수기 배출수 여열을 이용한 해양 발전 방법에서, 해상 설비는 GBS 해양 원자력 발전 플랜트, FSPP, BMPP를 포함하는 군에서 선택될 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 실시예들의 해양 발전 플랜트 내 발전 모듈의 복수기에서 배출되는 배출수를 열원으로 활용하는 발전 모듈을 해양 발전 플랜트에 추가함으로써, 고온 냉각수의 배출을 줄이거나 없앨 수 있어 이로 인한 해양 환경에 대한 영향을 줄일 수 있다. 또한 냉각수에 열교환으로 전달된 여열을 효과적으로 활용할 수 있어, 발전 플랜트의 열 에너지 활용과 발전 효율을 높이게 된다. 이와 같이 발전 효율이 개선된 해양 발전 플랜트를 설치함으로써, 육상에서의 발전소 건설시 필요한 토양 파괴를 줄이고 토목 공사 비용을 감소시키며, 공사 기간을 단축할 수 있다.
이와 같은 본 발명은 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형될 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
OGM: 다른 발전 모듈
10: 다른 발전 모듈의 복수기
GM: 복수기 배출수 여열을 이용한 해양 발전 모듈
100: 증발기
110: 터빈 발전기
120: 응축기
130: 냉매 순환관
140: 냉매 순환 펌프
150: 온도 센서
200: GBS 해양 발전 플랜트
210: 플랜트 모듈
211: 원자로 건물
220: GBS 선체 유닛
221: GBS 선체
310: FSPP 선체
320: LNG 저장탱크
330: 기화부
380: 수처리/쿨링 유닛
390: 발전설비 |
